Onderzoekers van de afdeling Aardwetenschappen van de Universiteit van Syracuse hebben bevestigd dat de stijgende oceanische en atmosferische zuurstofniveaus honderden miljoenen jaren geleden samen met het leven in zee zijn geëvolueerd.

Wanyi Lu, een doctoraat kandidaat studeert bij universitair hoofddocent Zunli Lu (geen relatie) aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen, is de hoofdauteur van een baanbrekende paper in Wetenschap tijdschrift.

Het papier komt voort uit een meerjarige, multinationale onderzoeksinspanning onder leiding van Zunli Lu die de oorzaken en gevolgen van verhoogde oxygenatie op het continentaal plat heroverweegt tijdens de huidige Phanerozoïcum Eon, die meer dan 542 miljoen jaar geleden begon.

"De meeste onderzoeken naar de geschiedenis van zuurstof richten zich op de atmosfeer en de diepe oceanen, met gevolgen voor de evolutie van het leven, Zunli Lu zegt. "Wij geloven dat het oceanische zuurstofniveau in de waterkolom boven het continentaal plat [d.w.z. de bovenste oceaan] kan een ander beest zijn geweest."

Centraal in het onderzoek van het team stond een geochemische proxy die Lu in 2010 pionierde. Met behulp van een nieuwe benadering op basis van jodium-geochemie, hij en zijn collega's maten de verhouding van jodium tot calcium in calciumcarbonaatmineralen en fossielen.

Timoteüs Lyons, Distinguished Professor van Biogeochemie aan de Universiteit van Californië, Rivieroever (UCR), beschouwt jodium-geochemie als een "krachtig hulpmiddel" voor het beperken van zuurstofcondities in oppervlakte-tot-nabij-oppervlaktecondities van de oude oceaan. "Dit zijn de wateren waarin de eerste dieren voor het eerst verschenen, geëvolueerd en gevorderd in de richting van complexe ecologieën, " zegt hij. "De resultaten van deze studie onthullen een voorheen onvoorstelbare omgevingsdynamiek in die vroege wateren, en die omstandigheden moeten dieren hebben beïnvloed."

Lu neemt de lof in de pas, maar houdt vol dat de bevindingen van de groep nieuw zijn. "De bovenste oceaan kreeg veel later veel zuurstof dan oorspronkelijk werd gedacht, " hij zegt.

De geochemicus van Syracuse illustreert zijn punt door een dikke waas van methaan te beschrijven die oorspronkelijk de planeet omhulde, waardoor er weinig tot geen zuurstof in de atmosfeer achterblijft. Fotosynthetiserende microben produceerden uiteindelijk genoeg chemische energie, waardoor vrije zuurstof zich ophoopt in de atmosfeer. "Dit vormde het toneel voor het Grote Oxidatie-evenement ongeveer 2,3 miljard jaar geleden, " hij zegt.

Met oxygenatie kwam de opkomst van meercellige levensvormen in de komende miljard jaar. Onder hen waren eukaryoten, waarvan de genetische informatie werd opgeslagen in een membraangebonden kern of kernen.

De vraag die iedereen bezighoudt, met name Wanyi Lu's, was hoe en wanneer de mondiale oceaan voldoende zuurstof kreeg om verschillende mariene levensvormen te huisvesten, inclusief degenen die vandaag in leven zijn.

"Onze jodiumgegevens komen overeen met een grote stijging van het zuurstofgehalte in de lucht die ongeveer 400 miljoen jaar geleden plaatsvond, " zegt Lu, wiens doctoraatsstudies betrekking hebben op geochemie bij lage temperaturen en wereldwijde veranderingen in het milieu. "Hoe dan ook, zuurstofniveaus in de bovenste oceaan hebben zich pas 200 miljoen jaar geleden gestabiliseerd onder bijna-moderne omstandigheden, toen groter eukaryoot plankton de oceanen van de wereld domineerde. De timing is volkomen logisch."

Om dergelijke waarnemingen in het gesteente te begrijpen, men moet waardering hebben voor grootschalige biogeochemische en oceanografische processen, evenals de atmosferische chemische samenstelling. "We onderzochten de rol van deze twee controles in de bovenste oceaan, met behulp van een geavanceerd Earth System Model [ESM] met een interessante naam:GENIE, wat een afkorting is voor 'Grid-ENabled Integrated Earth, ' zegt Zunli Lu.

Andy Ridgwell, hoogleraar Aardwetenschappen aan de UCR, ontwikkelde het kenmerkende modelleringskader van GENIE, die een reeks ESM-simulaties over verschillende tijdschalen samenstelt. "De innovatieve manier waarop het Syracuse-team metingen van oude rotsen combineerde met een complexe, het wiskundige model van het wereldwijde klimaatsysteem en de koolstofcyclus was indrukwekkend, " hij zegt.

Ridgwell prijst de belangrijkste conclusie van de eindanalyse van het team:dat een fundamentele verandering in eukaryoten leidde tot een grotere remineralisatiediepte van organisch materiaal en, uiteindelijk, een "veerkrachtige zuurstofrijke" bovenste oceaan. "Dit past perfect bij ons groeiende begrip van de belangrijkste evolutionaire stappen die zijn genomen om de planeet te creëren die we vandaag hebben, " zegt Ridgwell, die biogeochemische modellering en klimaatverandering op lange termijn bestudeert.

Lee Kump, decaan van het College of Earth and Mineral Sciences in Penn State, zegt dat de bevindingen van de groep een krachtige herinnering zijn aan hoe Darwins evolutietheorie misschien maar half juist is. "Veranderingen in de omgeving beïnvloeden de biologische evolutie, om zeker te zijn, maar biologische innovatie kan het milieu aantasten, zelfs op wereldschaal, ", zegt de bekende paleoklimatoloog.

Dat is niet het einde van het verhaal, echter. Ros Rickaby, hoogleraar geochemie aan de Universiteit van Oxford (V.K.), zegt dat de bevindingen ook het verband tussen oxygenatie en lichaamsgrootte van zeedieren versterken. "Het is ongelooflijk om te bedenken dat het toenemende succes van microscopische mineralisatie van plankton in de oceaan, door de verandering in de zuurstofverdeling, zou zulke verstrekkende gevolgen kunnen hebben gehad over het hele systeem van de aarde om de gemiddelde lichaamsgrootte van dieren te vergroten, " zegt ze. "Het herinnert ons aan de ingewikkelde onderlinge verbinding tussen elk deel van het mariene ecosysteem."

Zunli Lu voegt eraan toe:"Het is een uitstekend voorbeeld van de co-evolutie van het leven en de planeet."